Adobe Systems
Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno
1
Přednášky z lékařské biofyziky
Struktura živé hmoty
FG23_11ab o3_3

Adobe Systems
2
Obsah přednášky
Voda
Vlastnosti koloidů
Struktura bílkovin
Struktura nukleových kyselin
Tato přednáška se zabývá pouze vybranými složkami živé hmoty s význačnými biofyzikálními
vlastnostmi. O významu dalších složek, např. elektrolytů, je pojednáno podrobněji v přednášce
věnované membránovým jevům. Další poučení je třeba hledat v učebnicích biologie a biochemie.
̶

Adobe Systems
3
Voda
o3_3
Molekuly vody jsou silně polární. Mezi kyslíkem a vodíkem sousedních molekul navíc vznikají
vodíkové vazby. Spojují molekuly vody do shluků - klastrů.

Adobe Systems
4
Vodíková vazba mezi molekulami vody
FG11_20ab FG11_21
Kapalná voda
led

Adobe Systems
Zápatí prezentace
5
Koloidy
Koloidy, označované též jako nepravé roztoky, jsou tvořeny v rozpouštědle dispergovanými částicemi
o velikosti 10 – 1000 nm.
Podle druhu vazebných sil můžeme rozlišit dva základní druhy koloidů:
ØMicelární (též asociativní, malé částice jsou spojeny do větších van der Waalsovými vazbami).
ØMolekulární koloidy (částice jsou makromolekuly, jejichž podjednotky jsou spojeny kovalentními
vazbami).

Adobe Systems
6
Slabé chemické vazby
o3_1
̶Vodíková vazba
̶Hydrofobní interakce
̶van der Waalsovy vazby
Disperzní, též Londonovy síly, někdy nejsou považovány za van der Waalsovy vazby. Terminologie v
této oblasti kolísá.
•

Adobe Systems
Zápatí prezentace
7
Vlastnosti koloidů
Mechanické: pevnost, pružnost, viskozita – podmíněny kovalentními i slabými chemickými vazbami.
Tyto vlastnosti závisejí na formě koloidu:
sol (tekutý) nebo gel (pevný). Tvorba gelu = gelatinizace
Optické:
̶Rozptyl světla: Tyndallův jev (opalescence). Světlo se může na koloidních částicích rozptylovat.
Stopa světelného paprsku procházejícího koloidem je zviditelněna světlem rozptýleným na koloidních
částicích.
̶Optická aktivita: Některé koloidy mohou stáčet rovinu procházejícího polarizovaného světla
̶
Elektrické: viz přednáška o přístrojových metodách v molekulární biofyzice

Adobe Systems
8
Tyndallův jev v micelárním a molekulárním koloidu
gold4 620095mb_image002
- V roztoku koloidního zlata
http://mrsec.wisc.edu/edetc/cineplex/gold/
- V roztoku želatiny (bílkovina)
http://link.springer-ny.com/link/service/journals/00897/papers/0006002/620095mb.htm

Adobe Systems
9
Druhy koloidů - biopolymerů
̶Podle afinity biopolymeru k rozpouštědlu (vodě)
̶Lyofilní (hydrofilní) – tvoří stabilní roztoky
̶Lyofobní (hydrofobní) – tvoří nestabilní roztoky
̶
̶Podle tvaru biopolymeru (tvar je též ovlivňován rozpouštědlem!)
̶Lineární (fibrilární – DNA, myosin, syntetické polymery….. též skleroproteiny, většinou
nerozpustné v čisté vodě)
̶Sférické (globulární – hemoglobin, glykogen … též sféroproteiny, většinou rozpustné v čisté vodě)

Adobe Systems
Zápatí
10
Chemické složení bílkovin
Podle výsledku hydrolýzy:
̶jednoduché (v hydrolyzátu jen aminokyseliny)
̶složené (v hydrolyzátu nejen aminokyseliny)
ØNukleoproteiny
ØHemoproteiny
ØFlavoproteiny
ØMetaloproteiny
ØLipoproteiny
Ø…..
(viz biochemie)

Adobe Systems
11
Struktura bílkovin
Strukturální jednotky bílkovin jsou aminokyseliny (AK), spojené peptidovou vazbou:
-RCH-NH-CO-RCH-,
která může hydrolyzovat:
-RCH-NH-CO-RCH- + H2O  ¬¾®  -RCH-NH2   +   -RCH-COOH
Karboxylové skupiny a aminoskupiny mohou disociovat nebo protonizovat. Např. kyselina glutamová a
asparagová mají volnou karboxylovou skupinu:
-COOH   ¬¾®   -COO- + H+
AK lysin a arginin mají volnou aminoskupinu, která může protonizovat:
-NH2 + H+    ¬¾®    -NH3+
V bílkovinách nacházíme 20 různých AK, které rozdělujeme na AK s polárním a nepolárním postranním
řetězcem.
AK s aromatickým jádrem nebo heterocyklem (fenylalanin, tyrosin, tryptofan) silně absorbují UV
záření kolem 280 nm.
AK cystein obsahuje sulfanylovou (sulfhydrylovou, thiolovou) skupinu -SH, která se oxiduje
dehydrogenací a spojuje s dehydrogenovanou skupinou jiného cysteinového zbytku kovalentním
disulfidickým můstkem (vazba -S-S-).

Adobe Systems
Zápatí prezentace
12
Struktura bílkovin
Disulfidické můstky (žlutě) stabilizují strukturu bílkoviny (hovězí ribonukleáza A)
•http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_28a-b.JPG
Absorpční spektrum volného fenylalaninu, tyrosinu a tryptofanu v UV oblasti
•Podle:http://www.fst.rdg.ac.uk/courses/fs460/lecture6/lecture6.htm

Adobe Systems
Zápatí
13
Struktura bílkovin
̶Primární (sekvence kovalentně vázaných AK zbytků)
̶Sekundární (vzájemné prostorové uspořádání sousedních článků polypeptidového řetězce – dána
především vodíkovými vazbami)
Øa-šroubovice
Øb-struktura (skládaný list)
Øjiná
̶Terciární (prostorové uspořádání polypeptidového řetězce jako celku – dána hydrofobními a
vodíkovými vazbami, stabilizována -S-S- můstky)
̶Kvartérní (způsob nekovalentního spojování jednotlivých polypeptidových řetězců – podjednotek - do
vyšších celků)
̶
ØHomogenní – všechny podjednotky jsou stejné
ØHeterogenní – podjednotky dvou nebo více druhů
̶

Adobe Systems
14
Struktura bílkovin
bílksroubovicex
•Podle: http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_10.JPG

Adobe Systems
15
betas.gif (5742 bytes)
b-struktura (skládaný list – antiparalelní model)
http://www-structure.llnl.gov/Xray/tutorial/protein_structure.htm

Adobe Systems
16
Trojitá šroubovice kolagenu
http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_34.JPG
FG04_34

Adobe Systems
Zápatí prezentace
17
Podle: http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_01.JPG
1234struktura

Adobe Systems
18
Struktura nukleových kyselin (NA)
̶Mononukleotidy (strukturní podjednotky NA):
ØPyrimidinové (C, U, T) nebo purinové (A, G) dusíkaté báze
ØCukr (ribóza nebo deoxyribóza)
ØZbytek kyseliny fosforečné
̶
̶DNA: až stovky tisíc podjednotek. M.h. 107 – 1012. Dva komplementární řetězce (vlákna) tvoří
antiparalelní dvoušroubovici.
̶RNA: U místo T
Øm-RNA (mediátorová, messenger)
Øt-RNA (transferová)
Ør-RNA (ribosomální)
Ø(virová RNA, mikroRNA …… ?)

Adobe Systems
19
stacking
•http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_13_90035.JPG

Adobe Systems
Zápatí prezentace
20
FG19_15aC
B-DNA
http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_15aC.JPG

Adobe Systems
Zápatí prezentace
21
A-DNA – dehydratovaná, B-DNA – běžně se vyskytuje za fyziologických podmínek, Z-DNA – v sekvencích
bohatých na páry CG

Adobe Systems
22
Nadšroubovicová (superhelikální) struktura kruhové DNA
superhelix
•Podle http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_191C.JPG

Adobe Systems
23
Struktura chromatinu
http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_23_00742.JPG,
http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_25_00744.JPG
FG19_23_00742 FG19_25_00744

Adobe Systems
Zápatí prezentace
24
Transferová RNA pro valin – schematicky a t-RNA z kvasnic ↓
trna IMB Jena Image Library Thumb Nail: 4TRA
http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH23/FG23_
14.JPG, http://www.imb-jena.de/cgi-bin/ImgLib.pl?CODE=4tra

Adobe Systems
Zápatí prezentace
25
Ribosomální RNA
̶Následující obrázek byl publikován v:
Science 11 February 2011: Vol. 331 no. 6018 pp. 730-736
Crystal Structure of the Eukaryotic 40S Ribosomal Subunit in Complex with Initiation Factor 1
(Julius Rabl, Marc Leibundgut, Sandro F. Ataide, Andrea Haag, Nenad Ban)
̶
Popis pro případné zájemce:
Architecture of the 40S. (A) Front and back views of the tertiary structure of the 40S showing the
18S rRNA as spheres and colored according to each domain (5′ domain, red; central domain, green; 3′
major domain, yellow; 3′ minor domain, blue; ESs, magenta), and the proteins as gray cartoons
(abbreviations: H, head; Be, beak; N, neck; P, platform; Sh, shoulder; Bo, body; RF, right foot;
LF, left foot). (B) Secondary structure diagram of the Tetrahymena thermophila (a protist)18S RNA
…showing the rRNA domains and the locations of the ESs. (C) Ribosomal proteins of the 40S are shown
as cartoons in individual colors; rRNA is shown as gray surface. The 40S is shown as in (A). (D)
View of the quaternary interactions between ES6 and ES3 at the back of the 40S. The RNA is
displayed as a cartoon with the proteins omitted for clarity. ES6 helices are colored in a gradient
from light to dark magenta and labeled from A to E... ES3 is highlighted in pink, and the rest of
the 18S rRNA is colored in gray. (E) The position of helix h16 in bacterial 30S [left…] and in 40S.

Adobe Systems
26
http://www.sciencemag.org/content/331/6018/730/F1.large.jpg

Adobe Systems
27
MikroRNA (dle wikipedie)
Též miRNA neboli microRNA jsou jednovláknové řetězce nekódující RNA o délce 21-23 nukleotidů, které
se podílejí na regulaci genové exprese. miRNA vznikají transkripcí z genův DNA, ale následně
nedochází k jejich translaci v protein.
Po úpravách nukleázami Drosha a Pasha pre-miRNA vstupuje do cytoplazmy, kde interaguje s
endonukleázou jménem Dicer za vzniku miRNA, jenž se váže do komplexu RISC (RNA-induced silencing
complex). Právě RISC je schopen utlumovat expresi genů, jev známý jako RNA interference.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/MiRNA_processing.svg/250px-MiRNA_processi
ng.svg.png

Adobe Systems
Zápatí prezentace
28
Konformační změny a denaturace biopolymerů
̶Změny sekundární, terciární a kvartérní struktury biopolymerů označujeme jako konformační změny.
̶Mohou být jak reverzibilní tak ireverzibilní.
̶nativní stav biopolymeru = funkční stav biopolymeru. Jinak se biopolymer nachází v denaturovaném
stavu.

Adobe Systems
Zápatí prezentace
29
Denaturační faktory
̶Fyzikální:
ØZvýšená teplota
ØIonizující záření
ØUltrazvuk
Ø…..
̶
̶Chemické:
ØZměny pH
ØZměny v koncentraci elektrolytů
ØTěžké kovy
ØDenaturační činidla rozrušující vodíkové vazby - močovina
Ø…..
̶
̶Kombinace těchto faktorů: ionizující záření nebo ultrazvuk působí přímo a/nebo nepřímo (chemicky
prostřednictvím volných radikálů)

Adobe Systems
30
Autor:
Vojtěch Mornstein
Obsahová spolupráce:
C.J. Caruana, I. Hrazdira
Poslední revize: září 2024